掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統的製作方法

2023-08-13 05:34:41

專利名稱：掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物醫學工程技術領域的系統，具體涉及一種掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統。
背景技術：
隨著人們對遠視的認識不斷深入以及遠視人群的不斷增長，對遠視的治療正越來越成為眼科界關注的熱點。治療遠視目前有好幾種方法，包括準分子雷射屈光性角膜切開術、準分子雷射原位角膜磨鑲術、雷射角膜熱成形術、透明晶體摘除聯合人工晶體植入術、自動板層角膜成形術、角膜切開術、Lasso等等。其中，雷射角膜熱成形術是利用雷射照射角膜，使角膜膠原纖維受熱收縮，改變角膜屈光度以治療屈光不正。由於雷射角膜熱成形術是使用雷射對位於眼球屈光系統中最外層的角膜組織進行非侵入性治療，所以雖然它在折射結果的可預測性和穩定性方面療效相對有限，但仍然被證明是治療輕度遠視最安全也最有前途的方法之一，且有望直接獲益於雷射技術的飛速進展。
經對現有技術的文獻檢索發現，2004年綜述文章《雷射角膜熱成形術的研究進展》(陶丹，杜之渝，《中國實用眼科雜誌》，2004年11月第22卷第11期848-850頁)提到，目前主要採用非接觸式光束傳輸系統進行雷射角膜熱成形術，該系統可同時發射均勻分布於角膜周邊部、距中心直徑相等的8束雷射。雖然該系統相比早期的接觸式光束纖維探頭來說，使雷射角膜熱成形術耗時減少，降低了角膜上皮損傷和角膜感染，且提高了作用部位的精確度，但由於該系統依然僅能產生有限光凝點，故形成的收縮環還是有一定的不可預知性。因此，依然存在治療效果的穩定性與可預測性相對較差的缺陷。在進一步的檢索中，尚未發現與本發明相同或者類似的主題。

發明內容
本發明針對現行雷射角膜熱成形術所使用的系統的不足與缺陷，提出了一種掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統。通過本發明可以在離體實驗中實現掃描雷射角膜熱成形術，從而為雷射角膜熱成形術的研究與實驗提供方便。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括七個模塊，分別為雷射發射系統、第一級聚焦系統、第二級聚焦系統、眼球旋轉系統、安全參數測試系統、治療成效測試系統、控制器。沿雷射束方向，雷射發射系統後依次為第一級聚焦系統、第二級聚焦系統、眼球旋轉系統；安全參數測試系統和治療成效測試系統的輸入端均對準眼球旋轉系統上所固定的眼球，而兩者的輸出端均與控制器的輸入端相連，控制器的輸出端連接至眼球旋轉系統。
雷射發射系統負責雷射的發射，第一級聚焦系統、第二級聚焦系統負責雷射束的分步聚焦，眼球旋轉系統負責對眼球實現機械旋轉，控制器負責反饋控制，安全參數測試系統負責測試掃描式雷射角膜熱成形術的安全掃描參數(包括雷射的掃描頻率、脈衝的持續時間、眼球的旋轉速度、聚焦點的深度等等)，治療成效測試系統負責測試掃描式雷射角膜熱成形術在安全掃描參數(包括雷射的掃描頻率、脈衝的持續時間、眼球的旋轉速度、聚焦點的深度等等)下的治療成效。由雷射發射系統發出雷射，雷射經第一級聚焦系統、第二級聚焦系統聚焦後到達眼球旋轉系統，通過眼球旋轉系統的旋轉，實現雷射在眼球表面的環狀飛點掃描，安全參數測試系統負責對掃描式雷射角膜熱成形術安全參數的實時檢測以保證安全性，治療成效測試系統負責對掃描式雷射角膜熱成形術在保證安全性前提下的治療成效的實時檢測，兩者的檢測結果由控制器收集反饋，傳送至眼球旋轉系統以實時控制眼球旋轉速率。
所述安全參數測試系統包括熱相機、濁度計。熱相機負責對角膜組織溫度的實時檢測，濁度計負責對角膜組織濁度的實時檢測。安全參數測試系統工作時，接受從眼表檢測到的信息，熱相機接受角膜組織溫度信息，並傳送至控制器，濁度計接受角膜組織濁度信息，並傳送至控制器。
所述治療成效測試系統包括角膜地形圖系統、波面相差儀。角膜地形圖系統負責以角膜地形圖形式對角膜屈光度進行實時檢測，波面相差儀負責以波面相差形式對角膜屈光度進行實時檢測。治療成效測試系統工作時，接受從眼表檢測到的角膜屈光度信息，角膜地形圖系統將信息以角膜地形圖形式顯示，並傳送至控制器，波面相差儀將信息以波面相差形式顯示，並傳送至控制器。
所述控制器，收集安全參數的測試系統和治療成效的測試系統的檢測結果，經與事先設置的安全閾值和治療期望值相比較後將調整信號送至眼球旋轉系統，對眼球旋轉速率進行反饋控制。如果熱相機探測到角膜溫度過高或濁度計探測到角膜混濁度開始上升，則控制器反饋負信號至眼球旋轉系統，使其降低轉速，反之則提高轉速。
現行雷射角膜熱成形術系統所產生的光凝點排列一般有兩圈和三圈兩種。而經過本發明的系統所產生的光點，將通過環狀飛點式掃描，形成緻密的凝結點陣列。使用本發明的系統所進行的實驗，可以改進掃描的具體方案，例如如果收縮環應力不夠強，易回退，可仿照現行系統的光凝點排列，類似地光凝若干圈，或者實施螺旋狀掃描，直接形成有一定寬度的收縮環帶。
與現有技術相比，本發明的優勢在於(1)角膜的受熱是幾乎同時的，可以大幅度減少不對稱的散光現象的發生；(2)調整掃描的頻率和間隔，可以實現熱效應的最佳累積；(3)能形成應力更加穩定的收縮環帶，提高角膜熱成形手術效果的穩定性；(4)能實時檢測屈光度改變效果來相應地實時決定掃描圈數，提高角膜熱成形手術效果的可預測性；(5)使得掃描雷射角膜熱成形術的實驗無須在活體上就能進行，實驗操作更為方便；(6)能夠通過實驗為掃描雷射角膜熱成形術確定更為優化的參數，提高該手術的療效。


圖1是本發明結構示意框圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括雷射發射系統、第一級聚焦系統、第二級聚焦系統、眼球旋轉系統、安全參數的測試系統、治療成效的測試系統、控制器。各模塊的位置關係是，沿雷射束方向，雷射發射系統後依次為第一級聚焦系統、第二級聚焦系統、眼球旋轉系統；此外，安全參數測試系統和治療成效測試系統的輸入端均對準眼球旋轉系統上所固定的眼球，而兩者的輸出端均與控制器的輸入端相連。控制器的輸出端連接至眼球旋轉系統。
合適波長(2.0μm左右)的雷射束由雷射發射系統發出，經由第一級聚焦系統匯聚為平行光束，再經由第二級聚焦系統聚焦到已固定在眼球旋轉系統上的眼球表面，通過眼球旋轉系統的旋轉，實現雷射在眼球表面的環狀飛點掃描。同時，安全參數的測試系統，實現安全性的實時檢測，結果送至控制器，而治療成效測試系統實現治療成效的實時檢測，結果送至控制器，控制器將檢測結果收集反饋至掃描雷射源，以實時控制雷射參數。
所述的雷射發射系統為發射端固定的、波長合適(2.0μm左右)的雷射器。
所述的第一級聚焦系統為透鏡，目的是將發散光束聚焦為平行光。
所述的第二級聚焦系統為透鏡，目的是將平行光進一步聚焦到眼角膜上。第二級聚焦透鏡的焦距測量比較簡單，在儀器缺乏的情況下甚至可以通過目測光斑大小來估算。然後通過第二級聚焦透鏡的焦距和雷射角膜熱成形術所需的眼角膜內聚焦深度，來確定第二級聚焦透鏡與眼球旋轉系統之間的距離。
所述的眼球旋轉系統為馬達和旋轉齒輪，電源按需要外接。馬達與旋轉齒輪相連，旋轉齒輪與固定眼球的支架相連。通過馬達令旋轉齒輪旋轉，從而帶動眼球支架旋轉，實現角膜以瞳孔為中心的旋轉。
所述的控制器收集安全參數測試系統與治療成效測試系統的反饋信息，以實時控制眼球旋轉速率。
所述的安全參數測試系統和治療成效測試系統分別進行安全參數測試和治療成效測試，其結果送至控制器。
所述的安全參數測試系統包括熱相機、濁度計。
所述的安全參數測試系統中的熱相機為普通熱相機，目的是測試掃描參數在何範圍內能夠引起所需的角膜溫度(55℃-65℃，即既能保證凝結又不會導致變性與損傷的溫度範圍)。如果沒有現成的熱相機，可以用兩種方法替代一種方法是加裝紅外濾鏡的一般數位相機，但這樣就只能獲得紅外照片進行事後分析，而無法實時直觀地對應到具體溫度，且解析度較低；另一種方法是使用熱電偶溫度傳感器代替，缺點是為侵入性的。
所述的安全參數測試系統中的濁度計為普通濁度計，目的是測試掃描參數在何範圍內不會導致角膜表面過大的濁度上升。如果沒有普通濁度計，此部分功能也可經由檢測光散射方向的改變來實現。基本原理是利用一個參考雷射源經電子(射)束分裂器括束後，再聚焦，最後照射到角膜表面，其在角膜前後表面的散射光通過兩處的光敏二極體來檢測。需要進行此測量的原因在於人眼的散光來源於角膜散光和眼內散光兩部分，而前者是眼總散光的最大部分，包括角膜前後散光；而且角膜散光比較複雜，是判斷角膜屈光手術效果的重要問題。
所述的治療成效測試系統包括角膜地形圖系統、波面相差儀。
所述的治療成效測試系統中的角膜地形圖系統為普通角膜地形圖系統，目的是測試治療之後的角膜曲率改變量。角膜地形圖的全稱是計算機輔助的角膜地形分析系統，它其實是計算機處理後形成的偽彩色圖，反映全形膜前表面曲率形態。它的優點是可以對角膜形態進行實時的觀察，因此除了能夠對定參數的掃描式雷射角膜熱成形術結果進行術後評估以外，也能夠在掃描式雷射角膜熱成形術的手術過程中不斷提供信息，實時指導手術進程。
所述的治療成效測試系統中的波面相差儀為普通波面相差儀，目的是測試治療之後人眼屈光系統波面相差的改善度。波面相差儀是將一束光線射入眼內，然後從視網膜反射回來，通過比較光線從眼睛中反射出來的實際方向與理想方向之間的差異就可以測量出眼視光系統的總體相差，並以三維圖像的形式顯示。人眼相差分為低階和高階兩種，在沒有低階像差(指近視、遠視、散光)幹擾的情況下，人眼視力也只有1.0-2.0。如果高階像差(指慧差、影暈等)一併排除，人類才可以達到3.0-4.0的超常視力。完善的波前相差儀可以同時測量低階相差和高階相差。關于波面相差儀，目前已有很多成熟的商業設備。
用本實施例的離體實驗系統，需要進行安全參數的測試時，先使眼球旋轉系統開始旋轉，再令雷射發射系統發出合適波長(2.0μm左右)的雷射束，經由第一、第二級聚焦系統聚焦到已固定在眼球旋轉系統上並隨之開始勻速旋轉的眼球表面，實現雷射在眼球表面的環狀飛點掃描，同時，熱相機與濁度計進行對安全參數的實時檢測；需要進行治療成效的測試時，先使眼球旋轉系統開始旋轉，再令雷射發射系統發出合適波長(2.0μm左右)的雷射束，經由第一、第二級聚焦系統聚焦到已固定在眼球旋轉系統上並隨之開始勻速旋轉的眼球表面，實現雷射在眼球表面的環狀飛點掃描，同時，角膜地形圖系統與波面相差儀進行對治療成效的實時檢測。熱相機、濁度計、角膜地形圖系統、波面相差儀四者也可以同時工作或者按需選擇，實現相應的監測功能。
本實施例應用避免了雷射束旋轉的複雜實現，操作上更為方便，並能為掃描雷射確定更為優化的參數，提高該手術的療效。
權利要求
1.一種掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統，其特徵在於，包括雷射發射系統、第一級聚焦系統、第二級聚焦系統、眼球旋轉系統、安全參數測試系統、治療成效測試系統、控制器，沿雷射束方向，雷射發射系統後依次為第一級聚焦系統、第二級聚焦系統、眼球旋轉系統，安全參數測試系統和治療成效測試系統的輸入端均對準眼球旋轉系統上所固定的眼球，兩者的輸出端均與控制器的輸入端相連，控制器的輸出端連接至眼球旋轉系統，其中，雷射發射系統負責雷射的發射，第一級聚焦系統、第二級聚焦系統負責雷射束的分步聚焦，眼球旋轉系統負責對眼球實現機械旋轉，控制器負責反饋控制，安全參數測試系統負責對掃描式雷射角膜熱成形術安全參數的實時檢測以保證安全性，治療成效測試系統負責對掃描式雷射角膜熱成形術在保證安全性前提下的治療成效的實時檢測，雷射發射系統發出雷射，雷射經第一級聚焦系統、第二級聚焦系統聚焦後到達眼球旋轉系統，通過眼球旋轉系統的旋轉，實現雷射在眼球表面的環狀飛點掃描，安全參數測試系統進行安全參數的實時檢測，並由治療成效測試系統進行治療成效的實時檢測，兩者的檢測結果由控制器收集反饋，傳送至眼球旋轉系統以實時控制眼球旋轉速率。
2.根據權利要求1所述的掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統，其特徵是，所述的雷射發射系統為發射端固定的、波長為2.0μm的雷射器。
3.根據權利要求1所述的掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統，其特徵是，所述的第一級聚焦系統為透鏡，將發散光束聚焦為平行光；所述的第二級聚焦系統也為透鏡，將平行光進一步聚焦到眼角膜上，然後通過第二級聚焦透鏡的焦距和雷射角膜熱成形術所需的眼角膜內聚焦深度，來確定第二級聚焦透鏡與眼球旋轉系統之間的距離。
4.根據權利要求1所述的掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統，其特徵是，所述的眼球旋轉系統為馬達和旋轉齒輪，電源外接，馬達與旋轉齒輪相連，旋轉齒輪與固定眼球的支架相連，通過馬達令旋轉齒輪旋轉，從而帶動眼球支架旋轉，實現角膜以瞳孔為中心的旋轉。
5.根據權利要求1所述的掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統，其特徵是，所述安全參數測試系統包括熱相機、濁度計，熱相機負責對角膜組織溫度的實時檢測，濁度計負責對角膜組織濁度的實時檢測，熱相機接受角膜組織溫度信息並傳送至控制器，濁度計接受角膜組織濁度信息並傳送至控制器。
6.根據權利要求5所述的掃描式雷射角膜熱成形術的活體手術系統，其特徵是，所述的安全參數測試系統中的熱相機為普通熱相機，或者是加裝紅外濾鏡的數位相機，或者是熱電偶溫度傳感器。
7.根據權利要求1所述的掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統，其特徵是，所述治療成效測試系統包括角膜地形圖系統、波面相差儀，角膜地形圖系統負責以角膜地形圖形式對角膜屈光度進行實時檢測，波面相差儀負責以波面相差形式對角膜屈光度進行實時檢測，角膜地形圖系統將信息以角膜地形圖形式顯示並傳送至控制器，波面相差儀將信息以波面相差形式顯示並傳送至控制器。
8.根據權利要求1所述的掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統，其特徵是，所述控制器，收集安全參數的測試系統和治療成效的測試系統的檢測結果，經與事先設置的安全閾值和治療期望值相比較後將調整信號送至眼球旋轉系統，對眼球旋轉速率進行反饋控制，如果熱相機探測到角膜溫度過高或濁度計探測到角膜混濁度開始上升，則控制器反饋負信號至眼球旋轉系統，使其降低轉速，反之則提高轉速。
全文摘要
一種生物醫學工程技術領域的掃描式雷射角膜熱成形術的離體實驗系統。本發明包括雷射發射系統、第一級聚焦系統、第二級聚焦系統、眼球旋轉系統、安全參數測試系統、治療成效測試系統、控制器。雷射發射系統發出雷射，雷射經第一級聚焦系統、第二級聚焦系統聚焦後到達眼球旋轉系統，通過眼球旋轉系統的旋轉，實現雷射在眼球表面的環狀飛點掃描，安全參數測試系統負責對掃描式雷射角膜熱成形術安全參數實時檢測以保證安全性，治療成效測試系統負責對掃描式雷射角膜熱成形術在保證安全性前提下的治療成效的實時檢測，兩者檢測結果由控制器收集反饋，傳送至眼球旋轉系統以實時控制眼球旋轉速率。本發明可在離體實驗中實現掃描雷射角膜熱成形術。
文檔編號A61F9/01GK1957868SQ20061011889
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月30日 優先權日2006年11月30日
發明者劉易非, 牛金海 申請人:上海交通大學